 |
|
Результаты эксперимента
= пФ.
С0 = 9.8 нФ; R0 = 1,9 кОм.
Таблица 3.1
| n = Гц | U = В | UR0 = В | СВ = пФ |
| n = Гц | U = В | UС0 = В | СВ = пФ |
< CВ > = пФ.
Диэлектрическая проницаемость.
Цель: найти значение диэлектрической проницаемости для разных диэлектриков.
Сравнивая ёмкость С1 конденсатора без диэлектрика с воздушным зазором d0 c ёмкостью С конденсатора с диэлектриком толщиной d, находим диэлектрическую проницаемость:
. (3.3)
Порядок работы
1. Измерить штангенциркулем толщину пластины диэлектрика, записав в таблицу 3.2.
2. Поместить его в разборный конденсатор и используя схему рис.3.1 при помощи осциллографа измерить размахи напряжения от генератора U и напряжения на конденсаторе, записав в таблицу 3.2.
3. По формуле (3.1) вычислить ёмкость конденсатора.
4. Используя формулу (3.3) найти значение диэлектрической проницаемости.
5. Результаты оформить в виде таблицы:
Таблица 3.2
| образец | d, мм | U, В | UC0, мВ | С, пФ | e |
| стекло | |||||
| оргстекло | |||||
| текстолит |
6. Сделать вывод по полученным значениям диэлектрической проницаемости, сравнив с табличными значениями.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
Изучение петли гистерезиса сегнетоэлектрика
Цель работы: изучить электрические свойства сегнетоэлектрика.
Приборы и принадлежности: ЛКЭ-2 (генератор сигналов функциональный ГСФ-2, осциллограф-мультиметр С1-112А, провода соединительные, блок «Поле в веществе»).
Краткие теоретические сведения
Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектриками называется группа кристаллических диэлектриков, обладающих в определенном интервале температур самопроизвольной (спонтанной) поляризацией, т.е. поляризацией в отсутствие внешнего электрического поля. К сегнетоэлектрикам относятся, например, детально изученные И.В. Курчатовым (1903 – 1960) и П.П. Кобеко (1897 – 1954) сегнетова соль NaKC4H4O6×4H2O (от нее и получили свое название сегнето-электрики) и титанат бария BaTiO3.
При отсутствии внешнего электрического поля весь объем сегнетоэлектрика самопроизвольно разбит на небольшие области, которые поляризованы до насыщения и называются доменами (диэлектрическими доменами). Возможные направления электрических моментов доменов определяются симметрией кристалла и имеют различные направления поляризованности, что схематически показано на рис.4.1, где стрелки указывают направление вектора поляризации Р. Так как в смежных доменах эти направления различны, то в целом дипольный момент диэлектрика равен нулю. При внесении сегнетоэлектрика во внешнее поле происходит переориентация дипольных моментов по полю, а возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля. Поэтому сегнетоэлектрики имеют аномально большие значения диэлектрической проницаемости (для сегнетовой соли, например, emax » 104).
Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика имеется определенная температура, выше которой его необычные свойства исчезают и он становится обычным диэлектриком. Эта температура называется точкой Кюри (в честь французского физика Пьера Кюри (1859-1906)). Как правило, сегнетоэлектрики имеют только одну точку Кюри; исключение составляет лишь сегнетова соль (-18 и +24) и изоморфные с нею соединения. В сегнетоэлектриках вблизи точки Кюри наблюдается также резкое возрастание теплоемкости вещества. Превращение сегнетоэлектрика в обычный диэлектрик, происходящее в точке Кюри, сопровождается фазовым переходом II рода.
Диэлектрическая проницаемость e (а, следовательно, и диэлектрическая восприимчивость c) сегнетоэлектриков зависит от напряженности E поля в веществе, а для других диэлектриков эти величины являются характеристиками вещества.
Для сегнетоэлектриков связь между векторами поляризованности Р и напряженности Е нелинейная и зависит от значений Е в предшествующие моменты времени. В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса («запаздывания»). Как видно из рис. 4.2, с увеличением напряженности Е внешнего электрического поля поляризация Р растет, достигая насыщения (кривая 1 (Оа)). Уменьшение Р, с уменьшением Е, происходит по кривой 2 и, при Е = 0, сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризованность P0, т.е. сегнетоэлектрик остается поляризованным в отсутствие внешнего электрического поля. Чтобы уничтожить остаточную поляризованность, надо приложить электрическое поле обратного направления (-ЕС). Величина ЕС называется коэрцитивной силой (от латинского «coercitio» - удерживание). Если далее Е изменять, то Р будет изменяться по кривой 3 петли гистерезиса.
Интенсивному изучению сегнетоэлектриков послужило открытие академиком Б.М. Вулом (1903-1985) аномальных диэлектрических свойств титаната бария. Титанат бария из-за его химической устойчивости и высокой механической прочности, а также из-за сохранения сегнетоэлектрических свойств в широком температурном интервале нашел большое научно-техническое применение (например, в качестве генератора и приемника ультразвуковых волн). В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков, не считая их твердых растворов. Сегнетоэлектрики широко применяются также в качестве материалов, обладающих большими значениями e (например, в конденсаторах).
Следует упомянуть еще о пьезоэлектриках – кристаллических веществах, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствие внешнего электрического поля (прямой эффект). Наблюдается и обратный пьезоэффект – появление механической деформации под действием электрического поля. У некоторых пьезоэлектриков решетка положительных ионов в состоянии термодинамического равновесия смещена относительно решетки отрицательных ионов, в результате чего они оказываются поляризованными даже без внешнего электрического поля. Такие кристаллы называются пироэлектриками. Еще существуют электреты – диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электрического поля (электрические аналоги постоянных магнитов). Эти группы веществ находят широкое применение в технике и бытовых устройствах.